JP2002501190A

JP2002501190A - 屈折率の変化による物質の検出

Info

Publication number: JP2002501190A
Application number: JP2000528855A
Authority: JP
Inventors: ラディング，ラーズ; リンドヴォルド，ラーズ
Original assignee: トルサナバイオセンサーアクティーゼルスカブ
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2002-01-15
Also published as: AU2829499A; DE69902023T2; ATE220203T1; EP1066507A1; DK1066507T3; US6493090B1; WO1999037996A1; EP1066507B1; DE69902023D1

Abstract

(57)【要約】屈折率に基づく感度が良好な検出器は、それぞれがレーザ光ビームを形成する第１のレーザキャビティ（７）と第２のレーザキャビティ（７’）とを備えている。各レーザキャビティはプレーナー導波管内に形成されている。第１のレーザ（７）の導波管の表面は検出されるサンプルを受ける。２つのレーザからの光はカップリング回折格子（３）を使用してミックスされ、物質の屈折率に依存するレーザ間のビート周波数が検出器（４）で測定される。僅かな量の物質を極めて高感度に測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、物質によって引き起こされる屈折率の変化を検知することによって
、物質の存在、濃度、量を検出するための方法および装置に関する。

【０００２】特に、本発明は、流体のような物質の存在、濃度、量を測定するための方法お
よび装置を含んでいる。この場合、流体の屈折率は、流体中の１または複数の化
学種の濃度と関連付けられる。本発明は、特に臨床分析の分野に適用されるが、
また、例えば一般的な濡れた化学薬品（ｗｅｔｃｈｅｍｉｃａｌ）の分析やガ
ス分析にも適用される。

【０００３】現在、一般に、生体活性分子のような化学種の僅かな濃度の検出は、抗原抗体
（免疫検査）反応、ホルモン受容体反応、ＤＮＡ／ＲＮＡコンプリメンタリスト
リング反応、キャビタント（ｃａｖｉｔａｎｄ）すなわちブドウ糖のような分子
やイオンの選択的な結合のための循環飽和炭化水素との反応といった親和力反応
、あるいは、酵素−基質／抑制剤／共通因子反応のような触媒反応に基づいてい
る。

【０００４】これらの反応は物質の個々の分子の認定を容易にし、これによって、通常はほ
ぼ１０^-12ｍｏｌ／Ｌという非常に僅かな濃度で物質の識別を行なうことができる。

【０００５】前述の反応に基づく既知の検出技術の特性は、他の物質の存在下で検体に対す
る高い感度と高い特定性とを持っている点である。これは、これらの方法に基づ
く生物学的検定法を、例えばバイオセンサを使用して、体液（例えば、全血、血
清、サルビア、尿）のサンプル中で実現することができ、これによって、精製工
程に必要な時間および労力を削減できることを意味している。

【０００６】一般に、前述した結合メカニズムに基づく検定法は、特定の化学種の存在の検
出のため、蛍光発光、生物発光、化学発光といった発光検出原理を用いている。
発光技術は、マイクロタイタープレートやフローサイトメトリーを使用する検知
のような濡れ化学反応（ｗｅｔｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）を含む検定において、広
く使用されている。

【０００７】抗体や抗原を有する試薬の表面に固定するとともに、検出される化学種を含む
検体を試薬に接触させることによって、特定の化学種の存在を検出することは知
られている。試薬は、例えば検体が流れるマイクロフローチャンネルの内面に固
定されていても良い。親和力反応や触媒反応が、検出される化学種と試薬との間
で起こると、試薬を保持する面で屈折率が変化する。したがって、屈折率の変化
を検出することによって、化学種の存在を検出できる。この変化は、一般に、１
０^-7〜１０^-4の範囲である。

【０００８】消失波（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｗａｖｅ）検出によって物質の薄い層の屈折
率の変化を検出することも知られている。

【０００９】この技術に基づくバイオセンシングのための光学装置の総合的な検査は、Ａ．
Ｂｒｅｃｈｔｅｔａｌ．"ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｂｅｓａｎｄＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ"，Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ＆Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１０，ｐｐ．９２３−９３６，１９９５（引例１）に開示されている。

【００１０】例えば引例１のような表面プラズモン共鳴検出（ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍ
ｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）は、一般にガラスと液体との
界面における金属薄膜中の表面プラズモンの励起に依存している。この技術は、
ガラスと液体との界面に沿って急激に減衰する場成分を有する消失場を使用する
。金属と液体との界面の上側の境界に存在する検体に関して、この領域の屈折率
は、共鳴表面プラスモンの励起角度の変化を引き起こすように変化する。この角
度の変化は、屈折率の変化の指標であり、したがって、検体の化学的組成の指標
である。

【００１１】消失波は導波管内の光の伝搬と複雑に関連付けられる。導波管（光ファイバや
プレーナー導波管）のコアに沿って伝搬する波は、導波管のクラッド部へと延び
る急激に減衰する場を形成する。この末端のクラッド部への侵入深さｄ_ewは、コ
アとクラッドの屈折率間の差に依存している。すなわち、屈折率の大きな差は短
い侵入深さであることを示している。

【００１２】侵入深さは、ほんの僅かな光の波長から特定の導波管パラメータに依存する多
くの波長まである。

【００１３】導波管のクラッドの厚さが対応する消失波の侵入深さよりも小さい場合には、
導波管のクラッドと隣接する層の励起および検出の手段として消失波を使用する
ことができる。励起に関して、最も良く知られた方法は、例えばＯ．Ｓ．Ｗｏｌ
ｆｂｅｉｓｉｎＴｒｅｎｄｓｉｎＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓ
ｔｒｙ１５ｐｐ．２２５−２３２，１９９６（引例２）に見られるような、
キャピラリー導波管内における蛍光発光の消失波励起である。この適用において
は、消失波の使用によって、大きな検体ではなく、薄い発光ラベル検出層を選択
的に励起することが可能になる。

【００１４】ファイバ光バイオセンサ（例えば、Ｍ−Ｐ．Ｍａｒｃｏｅｔａｌ．ｉｎ
Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．７．ｐｐ．１５４７−１５８２，１９９６（引例
３）を参照）は、ファイバコアの内側の境界に形成される全内面反射に起因して
単一モードの光ファイバのクラッドに形成される消失場を使用している。適当な
励起エネルギをもつ分子が消失場内に置かれると、分子は、ファイバコアの内側
で反射光を減衰させるエネルギを吸収する。適当な感度を得るため、一般に、分
子は例えば蛍光色素でラベル化される。これにより、分子は、消失場によって励
起された後、蛍光発光として長い波長（低いエネルギ）で再放射することができ
る。再放射された光の一部は、ファイバコア内へと戻され、光検出器によって検
出される前にファイバの端部へと伝搬する。

【００１５】集積光学の分野においてもバイオセンサは使用される。集積光学は、引例３の
ように検出アームと基準アームとの間で引き起こされる位相変化の検出に依存す
る干渉分光センサ（例えばマッハ・ツェンダー干渉計）のようなデバイス状のバ
イオセンサを形成する可能性を容易にする。検出アームと基準アームとにおける
光ビーム間の位相変化として示される生物学的な相互作用は、標準的な干渉分光
手段によって検出される。

【００１６】また、キャビティ内検出によって物質の薄い層の屈折率の変化を検出すること
が知られている。

【００１７】Ｇｏｕｒｌｅｙｅｔａｌ．"Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍｉｃｒｏｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ
ｓｆｏｒｂｉｏｍｅｄｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ"，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．２９８７，ｐｐ．１８６−１９６（１９９７）（引例４）には
、赤血球のような細胞がバーチカルキャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）の
キャビティ内に導入される方法が開示されている。組織がＧａＡｓレーザ（８５
０ｎｍ）の波長で吸収しないという事実から、キャビティ内の組織はファブリー
ペロエタンとして作用する。血液細胞のシックルセル貧血（Ｓｉｃｋｌｅ−ｃｅ
ｌｌａｎａｅｍｉａ）のような細胞膜の構造における異常性によって、高位の
トランスバースモードが形成される。これらのモードは、ＣＣＤのような適当な
固体撮像装置によって検出することができる。

【００１８】ＵＳ５，４３７，８４０やＵＳ５，５１４，５９６（引例５，６）には、薬品
の巨視的な特性のキャビティ内検出のための装置および方法が開示されている。
この装置は光共鳴器を備えている。光共鳴器はその内側もしくは外側に配置され
た光源によって汲み上げられる。光共鳴器の内側には、表面を有する反射部材が
配置されている。これにより、光共鳴器内で励起されたモードの全反射が形成さ
れる。光共鳴器の内側には、光共鳴器の出力を測定するための検出器が配置され
ている。分析される物質が反射部材の外面で消失場領域内に導入されると、その
表面で屈折率が変化し、それに応じて、光共鳴器の共鳴周波数が変化される。幾
つかの実施例においては、この共鳴周波数の変化が測定される。しかしながら、
殆どの実施例においては、表面のラベルの蛍光発光が検出される。光共鳴器の共
鳴周波数の変化は、従来のセンサとしての走査ファブリペロ干渉計を使用して検
出される。

【００１９】光共鳴器は、ファイバのクラッドを取り除くことによって形成される検出領域
を有するファイバレーザの形態を成していても良い。前記検出領域内で励起され
た蛍光発光が検出されても良い。

【００２０】我々の優先日後に発行されたＵＳ５７６６９５６（引例７）は、導波管レーザ
を物質の面内に組み込むことを開示している。この場合、装置の表面上に受けら
れた物質の検出によって、干渉計を使用して検出されるレーザ光の波長に変化が
生じる。

【００２１】これらの知られた方法および装置の欠点は、僅かな濃度の薬品を検出可能とす
るために、光共鳴器の共鳴周波数を正確に測定しなければならない点である。

【００２２】これらの知られた方法および装置の他の欠点は、共鳴周波数の変化を正確に測
定可能とするために、キャビティの正確な温度制御が必要である点である。

【００２３】ＰｈｙｓｉｋＶｅｒｌａｇによって発行されたＷｅｂｅｒａｎｄＨｅ
ｒｚｉｇｅｒによる"Ｌａｓｅｒ−ＧｒｕｎｄｌａｇｅｎｕｎｄＡｎｗｅｎｄｅｎｄｕｎｇｅｎ"（引例８）は、その１９０頁で、２つの類似したガスレーザを装置に使用することを開示している。この場合、２つのレーザ間の周波数の
差はビート信号として測定される。測定対象物はそのようなレーザの一方のキャ
ビティ内に導入され、レーザの周波数への影響が前記ビート周波数への影響によ
って測定される。そのような装置を使用すると、プラズマ内の電子密度を測定す
ることができると言われている。これに関連する内容は、Ｄｉｎｇ，Ｈｅｒｔｚ
ｉｇｅｒ＆Ｗｅｂｅｒ，Ｚ．Ｆ．Ａｎｇｅｗ．Ｐｈｙｓ．１９６８，Ｂｄ．
２５，Ｈｅｆｔ３，１６８−１７１（引例９）に開示されている。

【００２４】ＵＳ５５６４８３２（引例１０）は、異なる周波数の２つの直交する偏光モー
ドとしてレーザ光が複屈折ファイバレーザ内を伝搬する化学センサを開示してい
る。この場合、一方のモードは、他方のモードよりも、ファイバの外側で検出さ
れる物質の存在によって影響される。２つのモード間のビート変化は、前記物質
の存在を検出する感光法として使用される。温度変化を補償するため、同じ一般
領域内で２つのレーザが使用されても良い。この場合、一方のレーザは物質に対
して露出され、他方のレーザは露出されない。ここでは、２つのそれぞれのレー
ザの２つのモード間のビート周波数を記録するとともに、第２のレーザのビート
周波数の変化を第１のレーザのビート周波数の変化から数学的に差し引いて、温
度補償を行なうことが意図されているように思われる。したがって、２つのレー
ザ間の光ビートが考慮されていない。

【００２５】我々は、化学検出に関するＵＳ５５６４８３２の教示内容を実施することがで
きないと考えている。なぜなら、検出される物質が一方のモードの伝搬定数に影
響を与え、物質がファイバのコアとクラッドとの間の全内面反射境界の光の消失
波内に導かれるからである。しかしながら、この領域に物質を接近させるために
全ての或いは殆どのクラッドを除去すると、ファイバの複屈折特性が乱されてし
まうため、２つの直交する安定した伝搬モードの再生が困難となる。

【００２６】したがって、我々は、屈折率の変化によって物質の量、濃度、または存在を検
出するための装置を提供する。この装置は、導波管によって形成されるレーザキ
ャビティを有し且つ第１のレーザ光ビームを形成する第１のレーザと、この第１
のレーザの前記レーザキャビティによって任意に且つ部分的に共有される導波管
によって形成されるレーザキャビティを有し且つ第２のレーザ光ビームを形成す
る第２のレーザとを備え、前記第１のレーザキャビティ内での前記レーザ光の伝
搬は第１の伝搬定数によって特徴付けられ、また、前記第２のレーザキャビティ
内での前記レーザ光の伝搬は第２の伝搬定数によって特徴付けられ、第１のレー
ザキャビティを形成する導波管は、検出される物質のサンプルを受けることがで
きる検出面を有しており、検出面における物質の存在によって前記第１の伝搬定
数と前記第１のレーザビームの光の周波数とが変化し、また、前記レーザビーム
同士を組み合わせてそれぞれのビームの周波数間でビートを形成する手段と、前
記物質の存在によって引き起こされる前記第１の伝搬定数の変化に伴って生じる
前記ビートの変化を検出する手段とを備えている。

【００２７】我々の優先日の後に発行されたＨｅｎｎｉｎｇｅｔａｌ，Ｏｐｔｉｃｓ
Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ１５６（１９９８）３１１−３１５（引例１１
）は、一方が検出用で他方が基準を成す２つのファイバレーザを有するセンサを
開示している。この場合、アセトン蒸気を検出するために、２つのファイバレー
ザの周波数の差のヘロダイン判定が提案されている。

【００２８】本発明の重要な利点は、第１および第２のレーザの周波数間の差が、物質と物
質によって影響されるレーザ光との間の実際の物理的な相互作用の長さに依存し
ていないという点である。その代わり、相互作用の有効長は、２つのレーザ同士
の干渉時間中にレーザキャビティ内の光によって横切られる光伝搬長によって与
えられる。

【００２９】物質は、水、乳製品や、全血、血清、サルビア、尿等のような体液のような流
体、あるいは、測定されるべき僅かな濃度の化学種を含むガスであっても良い。
化学種は、抗原、抗体、ホルモン、ＤＮＡストリング（ｓｔｒｉｎｇｓ）、ＲＮ
Ａストリング、グルコースのような単純な分子を有していても良い。

【００３０】レーザシステムは、ＨｅＮｅレーザ、アルゴンレーザ、クリプトンレーザのよ
うなガスレーザや、ＧａＡｓをベースとするレーザ、ＩｎＧａＡｓＰをベースと
するレーザ、ＩｎＰをベースとするレーザのような半導体レーザのような固体レ
ーザ、ファイバレーザや高分子レーザのような導波管レーザを有していても良い
。

【００３１】各レーザは、単一のモードで動作されても良く、また、各レーザが同一のモー
ド間隔をもつ多軸モードを有していても良い。

【００３２】レーザシステムのレーザキャビティは、１または複数の前述したレーザのレー
ザキャビティによって構成されていても良い。

【００３３】レーザシステムのレーザキャビティは、電気的に或いは光学的に汲み上げられ
る。レーザキャビティは、ＴＥ₀₀モード、ＴＭ₀₀モード、ＴＥ₀₁モード、ＴＭ₀₁ モード等、この技術分野で良く知られた少なくとも１つの所定のモードを形成す
るようになっている。

【００３４】好ましくは、試薬は、物質内に含まれ且つその濃度が測定されることが望まし
い化学種を拘束する例えば抗体、抗原、他の種を有しており、レーザシステムの
第１のレーザキャビティの検出面上に設けられている。物質のサンプルが第１の
レーザキャビティの検出面上の試薬と接触すると、試薬によって化学種が拘束さ
れ、これにより、試薬を含み且つ第１のレーザキャビティの検出面と当接する層
の屈折率が変化する。この場合、層内には、第１のキャビティ内のレーザ光によ
って形成される消失波が延びている。これにより、第１のレーザビームの伝搬定
数が変化する。すなわち、前記伝搬定数は、検出面上の層の屈折率に応じて、ま
た同様に、試薬によって拘束される化学種の濃度に応じて、変化する。

【００３５】本発明の重要な特徴は、伝搬定数の変化が、試薬によって拘束される化学種の
濃度とともに実質的に変化しない即ち前記濃度の２次的な機能として変化する他
の伝搬定数との比較によって決定される点にある。

【００３６】この特徴は、レーザシステムに第１および第２のレーザキャビティを形成する
ことによって得られる。この場合、これらのレーザキャビティは、第１のレーザ
キャビティが試薬を有する検出面を備えるとともに第２のレーザキャビティが試
薬を保持していない面を有している点を除いて、実質的に同一である。物質のサ
ンプルがレーザキャビティの対応する面に作用すると、その面に濃度が測定され
るべき化学種が保持されてその面上における化学種の濃度が経時的に増大するに
つれて、第１のレーザの伝搬定数が変化する。一方、第２のキャビティの面に種
が保持されていない時には、第２のレーザの伝搬定数は異なって変化する。

【００３７】Ｓｅｖｅｒｓｅｔａｌｉｎ 'Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ＆Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ' ８（１９９３）３６５−３７０（引例１２）は、サンドイッチフォーマットを使用することによって表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）検出
器（ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｏｒ
）の機能を向上させることを開示している。前記サンドイッチフォーマットでは
、検出される抗体を拘束するために検出器上の抗原が使用され、抗原によってコ
ーティングされたラテックスビーズを拘束された抗体と結合させることよって、
ＳＰＲ信号が高められる。消失波の侵入深さに対するラテックスビーズの好まし
いサイズは、Ｋｕｂｉｔｓｃｈｋｏｅｔａｌｉｎ 'ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＢｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ' ２５３，１１２−１２２（１９９７）（引例１３）に開示されている。

【００３８】また、このようなサンドイッチフォーマットを本発明の実施に使用しても良い
。すなわち、検出される化学種のための特定の結合相手を検出面に設けても良く
、また、化学種は、検出面に結合される前もしくは後に、微粒子ラベルに結合さ
れても良い。この場合、微粒子ラベルは、検出面に結合することによって形成さ
れる屈折率の変化を高める。この技術分野において知られているように、微粒子
ラベルは、コロイド状の金のようなメタルナノ粒子や、ＴｉＯ₂のようなミネラル粒子や、ラテックス粒子であっても良い。そのような粒子は、メタル粒子が光
の波長よりも小さいサイズを有しているかどうかを分類する。また、これらは、
誘電材料のマイクロメータもしくはナノメータレンジの大きな粒子であっても良
い。

【００３９】検出される物質のために検出面が特定の親和力を有している必要は必ずしもな
い。これは状況に応じて必要となる。例えば、そのようなセンサは、キャピラリ
ー電気泳動プロセスに移行するために使用される。このキャピラリー電気泳動に
おいて、センサは、非特異的な状態で溶出液中に存在するプロテイン分子のよう
な分子の存在に反応する。

【００４０】本発明の屈折率検出装置は、サンプル中の化学種の分析のための電気泳動もし
くはクロマトグラフ分離システムの検出器を形成する。電気泳動法およびクロマ
トグラフィにおいて、化学成分の混合物から成るサンプルはその各成分に分解さ
れ、各成分は検出器の前を通されてその溶出時間点および量がモニタされる。電
気泳動法は、電界内における分子の振る舞いに基づいて、サンプル内の成分を分
離する。１つの形態は、キャピラリーゾーン電気泳動法、等速電気泳動法、キャ
ピラリー動電クロマトグラフィ、キャピラリーゲル電気泳動法、等電点電気泳動
法（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ６１：２９２Ａ−３０３Ａ）
を含むキャピラリー電気泳動法である。クロマトグラフ分離は、静止局面と動作
局面との間の大量伝搬を含む分離技術として規定することができる。ある１つの
クロマトグラフの形態は、高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）である。ＨＰＬ
Ｃは、通常のクロマトグラフィと逆相クロマトグラフィとを含む吸着クロマトグ
ラフィ、イオン交換クロマトグラフィ、サイズエクスクルージョンクロマトグラ
フィ（ｓｉｚｅｅｘｃｌｕｓｉｏｎｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）として
分類される。

【００４１】キャピラリー電気泳動法のようなキャピラリー分離技術のためのナノリッタ−
ピコリッタ光検出器の開発は、化学分析において、かなりの重要性を得ている。
分析速度、高分解能、および効率を含む幾つかの特徴は、この技術を採用する理
由である。キャピラリーの両端部を横切る高い電界は、緩衝剤で満たされたキャ
ピラリー通じてイオン種を移動させる。異なる種は、その電荷やサイズに応じた
異なった速度で移動する。

【００４２】分離性能は、ＣＥ分離に使用されるキャピラリーチューブの内径（ｉ．ｄ．）
の減少に伴って増大するため、ＣＥに特に適した新たな検出器を開発する必要が
ある。本発明に係るセンサはＨＰＬＣ検出器としても使用できる。

【００４３】検出面上に特定の結合相手の分子が設けられる場合、これらの分子は、この技
術分野で知られる多くの種類のうちのいずれであっても良い。また、これらの分
子は、オリゴヌクレオチド（ＲＮＡやＤＮＡ）や、その合成類似物（例えばＰＮ
Ａ）であっても良い。また、これらの分子は、抗体や、特定の結合能力を有する
抗体の断片であっても良い。また、これらの分子は、化学結合相手にふさわしい
特定の親和力を有するビオチンやアビジン（またはステプトアビジン（ｓｔｅｐ
ｔａｖｉｄｉｎ））のような分子であっても良い。検出面の結合能力はこれらの
例よりも特に小さくても構わない。例えば、油中における不純物としての水のよ
うに逆の親和力をもつ分子を検出するために、検出面が親水性または疎水性をも
っていても良い。

【００４４】また、望まれるような特定の結合能力は、検出面上にコーティングされる任意
の材料の特性ではなく、検出面それ自身の固有の特性であっても良い。

【００４５】第１および第２のレーザの伝搬定数間の差は、第１および第２のレーザから放
射される光ビーム間の周波数の差として決定される。周波数の差は、周波数の差
の直接的な測定を与える光ビート技術を使用して決定される。

【００４６】周波数の差が最高の分解能で決定されると、この決定された周波数の差によっ
て正確な屈折率および極めて低い大きさの差を決定することができる。

【００４７】また、周波数の差を決定すると、レーザの絶対周波数を決定する必要がなくな
る。

【００４８】また、個々のレーザキャビティを使用する際に直面する正確な温度制御の必要
性も少なくなる。しかし、２つのキャビティを実質的に同一の温度で動作させる
ことが好ましい。温度は、検出される材料に適合するように選択する必要がある
。例えば、化学反応が生じる温度範囲内に調整する必要がある。

【００４９】第１および第２の光ビームの周波数の差を検出するために、フォトダイオード
や光電子増倍管のような光検出器が設けられても良い。光検出器の光感知領域を
横切る干渉検出は必要である。この検出において、光ビームの波面は、光検出器
の光感知領域を横切ってほぼアライメントされなければならない。光検出器は、
光検出器上に入射する光の強度に応じた電気出力信号を形成する。すなわち、光
検出器は、第１および第２の光ビームがその光感知領域で干渉させられる際に、
第１および第２の光ビームの周波数の差に等しい周波数成分をもつ電気出力信号
を形成する。

【００５０】第１および第２の光ビームが同じキャビティから生じ且つ異なる偏光方向を有
している場合、光検出器の第１および第２の光ビーム間の周波数の差の検出を行
なうキャビティと光検出器との間の光路に、偏光部材を挿入しなければならない
。

【００５１】波面のアライメントは、反射回折格子や透過回折格子のような回折格子や、ビ
ームスプリッタや偏光部材と組み合わされる複屈折プリズムのような薄膜部品と
いった光学部材によって行なわれる。そして、このような光学部材は、光検出器
とレーザシステムとの間の光路中に位置決めされる第１および第２の光学手段を
構成する。

【００５２】光学部材は、ガラス、ガラスセラミックス、高分子、半導体、金属等によって
形成されていても良い。

【００５３】レーザシステム、光学部材と光検出器との間で光を伝搬するために、第１およ
び第２の光学手段はそれぞれ、ガラス、ガラスセラミックス、高分子、半導体、
金属等によって形成された１または複数の光導波管を備えていても良い。

【００５４】また、レーザシステム、光導波管、光学部材、光検出器、電子集積回路を共通
の基板上で一体にして１つのセンサを作り、前述した種類の寸法の電子集積回路
の装置へと至らせることも可能である。

【００５５】好ましい実施例において、前記センサは、機械的に安定した適切な基板を有す
るモノリシック構造を備えている。

【００５６】また、前記センサが機械的に安定した適切な基板上に支持されると、周囲の状
態に対するセンサの感度は、主に基板の特性によって決定される。

【００５７】機械的に安定した適切な基板は、Ｓｉ、ＧａＡｓ等のような半導体や、ガラス
、ガラスセラミックス、高分子等によって形成されていても良い。

【００５８】非常にコンパクトな装置を得るため、好ましい実施例では、センサ部材が集積
光電子部材に組み込まれる。

【００５９】好ましくは、集積光電子部材は基板と導波管とを備えている。この場合、導波
管は、基板内もしくは基板と導波管との間のインターフェイス内に一体化された
適当な回折構造を備えている。

【００６０】導波管は、この技術分野において知られた集積光電子部材に適したどのような
導波管から成っていても良い。

【００６１】導波管は、基板と一体、すなわち、基板内もしくは基板のバルク内に設けられ
ていることが望ましい。

【００６２】１つの実施例において、レーザシステム、光検出器、或いはこれらの両者は、
外部から集積光電子部材に接続されることが望ましい。

【００６３】他の実施例において、レーザシステムおよび光検出器の両者が集積光電子部材
内に埋設されていることが望ましい。

【００６４】本発明にしたがって使用される信号処理手段は、周波数決定、タイミング、お
よび／またはこの技術分野で知られた相関関係の作業を行なう適当な任意の信号
処理装置を備えている。

【００６５】好ましい実施例において、信号処理手段は、集積光電子部材内に組み込まれる
集積信号処理装置から成る。

【００６６】以下においては、本発明に係る装置の性能がマッハ・ツェンダー干渉計に基づ
くシステムと比較されている。本装置は、外部の干渉計に基づくシステムの感度
よりも１０⁴〜１０⁶ほど高い分解能を達成することができる。

【００６７】導波管構成およびブラッグミラーを有する半導体材料に基づく実施は、現存の
技術をもってすれば可能である。また、高分子をベースとする構成も使用できる
。

【００６８】消失波検出に基づく装置は、通常、検出層と光学回路との間の相互作用領域が
１ｍｍ²のオーダにある集積光学部品の幾つかの形態に基づいている。その結果、分析される物質が、流体内で部分的に溶解もしくは浮遊している場合、あるい
は、乳濁液内に含まれている場合、そのような装置の流体の取り扱いは、通常、
マイクロ流体工学に基づく。マイクロ流体工学システムによって、単一の細胞の
操作および純粋な拡散制御状態下で様々な生化学反応を研究することができる。
また、これは、バイオセンサのように生物医学的研究にとって非常に魅力的なも
のとなる。

【００６９】本発明の１つの実施例においては、導波管の外側層の屈折率の変化の結果とし
て導波管の伝搬定数が変化する装置および方法が提供される。伝搬定数は、おお
よそ、

【００７０】

【数１】

【００７１】この場合、

【００７２】

【数２】

【００７３】そして、

【００７４】

【数３】

【００７５】ここで、λは自由空間波長であり、ｎ_eは導波管のコアの屈折率である。また、＜ｎ_e＞はクラッドの有効屈折率である。有効屈折率は、

【００７６】

【数４】

【００７７】によって定義される。

【００７８】精度（または分解能）は、一般に、光の波長によって標準化された実際の相互
作用長さによって与えられる。これはマッハ・ツェンダー干渉計を考慮すること
によって説明できる。

【００７９】屈折率の僅かな変化によって光路長の差に僅かな変化が生じる場合において、
マッハ・ツェンダー干渉計を考えてみると、位相の変化は、

【００８０】

【数５】

【００８１】ここで、光路に沿った屈折率ｌは、ｎ＝ｎ₀＋Δｎ。

【００８２】したがって、

【００８３】

【数６】

【００８４】我々は、検出可能な所定の最小の位相変化に関し、大きい方の導波管長さｌが
検出可能な小さい方の屈折率変化を与えることに注目している。線形性、検出回
路のノイズ、光子ノイズ、熱の影響といった因子の数は、検出可能な最小の位相
変化を与える。

【００８５】例：検出可能な最小の位相変化を１０^-4とすると、

【００８６】

【数７】

【００８７】これは、以下の式を与える。

【００８８】

【数８】

【００８９】本発明は、導波管レーザ上に固定される検出層間の相互作用といった実施例に
使用される。

【００９０】キャビティ内の有効屈折率がΔｎだけ変化する場合においてレーザを考えて見
ると、これは以下の式によって与えられるレーザの振動数の変化を示している。

【００９１】

【数９】

【００９２】我々は、相互作用の長さが方程式（１０）に全く現われていないことに注目し
ている。非常に僅かな周波数変化が不変の基準に対する変化として好ましくは検
出される。そして、周波数の差を得るために光ビートが適用される。また、有効
相互作用長さは、２つのレーザの相互の干渉時間内で、光の伝搬長さによって与
えられる。

【００９３】例： Δｆ_minを１００Ｈｚとし、また、ｆ＝４×１０¹⁴Ｈｚとすると、

【００９４】

【数１０】

【００９５】方程式（８）と（１０）とを比較すると、その差は、本質的には、この単純な
分析において、レーザの有効相互作用長さが実際の相互作用長さｌよりも十分に
大きいという事実によって生じている。

【００９６】本発明において提案されているシステムは、好ましくは殆ど同一の２つの光共
鳴器を使用している。レーザの周波数がゲイン部によって影響されることを回避
するため、周波数間隔はゲイン部の幅よりも十分に小さいことが望ましい。

【００９７】センサの非活性部分については、光の波長および材料がマッハ・ツェンダー構
成と同様に選択される。

【００９８】差動システムにおいて、２つのレーザ間の光学距離の差を生じる誤った混乱は
、測定される屈折率の変化によって生じるそれよりも少ない。ここで、温度勾配
は最も重要である。熱膨張および屈折率の温度係数はそれぞれ、異符号であり、
また、ほぼ同じ大きさをもっている。しかしながら、本適用において、材料に関
しては、完全にキャンセルされることはない。したがって、２つのレーザビーム
を支持する構造間の非常に密接した熱接触が望ましい。

【００９９】第２の観点において、本発明は、物質の量または存在を検出するための装置を
提供する。この装置は、互いに直交する２つの偏光モードのレーザ光を形成する
自由空間ゲイン部分と、一対のアームを有する二股部分とを備えたレーザキャビ
ティを有するレーザと、前記レーザ光をそれぞれが前記偏光モードの一方である２つのビームに分割す
るとともに、それぞれのビームをキャビティの二股部分の各アームに方向付ける
手段とを備え、前記各偏光モードの光はそれぞれの周波数を有し、また、前記物質が一方のアーム内で前記２つのビームの一方と相互作用するこ
とを許容して、前記アームの光学的長さ即ちこのアームと関連付けられる偏光モ
ードの光の周波数を変化させる手段と、前記２つの偏光モードのビートによって形成されるビート周波数成分の変化と
して、前記周波数の変化を検出する手段とを備えている。

【０１００】したがって、引例１０の開示内容と比較すると、検出される物質と一方の偏光
モードとの優先的な相互作用は、偏光モードを空間的に分離することによって得
られる。これにより、複屈折ファイバレーザ内でモードを形成する必要がなくな
る。レーザキャビティの自由空間ゲイン領域はガス領域もしくは固体（半導体）
領域であっても良い。

【０１０１】また、レーザキャビティの前記二股部分は、光の自由空間伝達を与える。また
、レーザキャビティの前記二股部分は、光の導波管伝達を与える。

【０１０２】以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施例について説明する。実施例１半導体レーザ構成本発明に係る装置の平面図が図１に示されている。互いに近い距離で離間して
位置された２つのレーザキャビティ７，７’は、一般にチップとして形成された
積層構造体内に形成されている。チップとしての前記積層構造体は、半導体をベ
ースとした基板５と、半導体をベースとしたレーザキャビティ媒体６とを備えて
いる。

【０１０３】複数の反射端要素は、複数の有効なミラーが前記キャビティの全体に沿って分
配配置される分配フィードバック（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄＢａｃ
ｋ（ＤＦＢ））２、または、局部的に集中された複数のブラッグ反射ミラーがレ
ーザキャビティの端部に位置される分散ブラッグリフレクタ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕ
ｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ（ＤＢＲ））１であっても良い。

【０１０４】図１に示されるようなタイプの装置は、遠距離通信レーザキャビティのために
開発された方法に基づいて容易に組立てることができる。ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡ
ｓＰ、またはＩｎＰは、半導体レーザキャビティ７，７’の主成分を成している
。赤外線吸収を回避するためには、ＧａＡｓ（波長が８５０ｎｍ）が好ましい。
しかし、特定の用途では、１３００ｎｍの波長あるいは１５００ｎｍの波長であ
っても許容される場合もある。

【０１０５】半導体をベースとしたセンサシステムの断面図が図２に示されている。キャビ
ティ７，７’のそれぞれの上面および外壁９，９’内には２つの流路８，８’が
形成されている。一方のキャビティ７の上面は固定化試薬を含んでいる。検出さ
れる化学種を含む物質は流路８，８’を通じて案内され、化学種は流路８内の固
定化試薬と反応する。消失波（一時的な波）がレーザキャビティ７，７’から流
路８，８’内へと延びており、これによって、レーザキャビティ７，７’のモー
ド（形態）が流路８，８’の屈折率によって影響される。化学種の濃度が固定化
試薬を含む流路８内で経時的に増大すると、レーザキャビティ７，７’の表面で
屈折率が経時的に異なるように変化する。

【０１０６】流路８，８’はマイクロテクノロジーから従来の技術を使用して形成しても良
い。

【０１０７】流路８内における化学種の存在は、２つのレーザキャビティから放射される第
１および第２の光ビームがそれぞれ例えば図１に示されるようなカップリング回
折格子３を用いて検出器４の方に方向付けられる光ビートを使用することによっ
て検出される。検出器４とカップリング回折格子３は、集積光学に関する従来の
製造技術を使用して、同一のチップ上に一体に設けられていても良い。

【０１０８】図示の装置は固有の相反（矛盾）する特性を有している。すなわち、同一の熱
状態を得るために２つのレーザキャビティが非常に近接して位置されている場合
には、注入ロッキングが極めて非線形な応答を与える。この問題は、制御された
周波数オフセットを取り入れることによって解決することができる。オフセット
を制御するループの時定数は、測定される屈折率の変化の時定数よりも（数秒の
オーダで）大きくなければならない。システムの複雑さは、積極的な周波数オフ
セットによって飛躍的に高められる。実施例２高分子構成本発明の他の観点は高分子の使用に関するものである。なぜなら、これは、最
終的には、使用後に廃棄することができる全高分子型のセンサチップ１８に繋が
る可能性があるからである。この目的を実現するための必要条件は、図３および
図４に示されるように、ミラー１１を有するレーザキャビティ１２と導波管１４
と微小流体ハンドリングシステム１３とが高分子をベースとするチップ上に一体
に設けられるようにすることである。

【０１０９】高分子をベースとする光子回路（ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｉｒｃｕｉｔ）に関し
ては幾つかの利点がある。まず第１に、電気的に駆動される高分子をベースとす
るＬＥＤやレーザにおける最近の開発と同様、ダイオードをベースとするポンプ
レーザの商業的利用可能性は非常に重要である。また、Ａ．Ｔａｇａｙａｅｔ
ａｌ．ｉｎＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ３６，ｐｐ．５７２−５７８，
１９９７（Ｒｅｆ．１４）を参照すると、高分子マトリクスにおける退色という
長年の懸案は最近になって解決されたように思える。また、第２に、平面導波管
構造の確実な複製方法が現在開発中であり、この開発によって光源と導波管とを
一体形成することができるようになる。第３に、高分子をベースとするレーザ／
導波管／微小流体装置は、検出層を固定するための現在の多くの技術と本質的に
矛盾しない。

【０１１０】ここに提案されたシステムが図３に示されている。図示のように、センサは、
一部が共通する第１および第２のキャビティから成るレーザキャビティ１２，１
４を備えている。したがって、装置は２つのレーザビームをサポートすることが
できる。センサパッド固有の面積は１ｃｍ²であり、センサパッドの厚さは２〜３ｍｍである。キャビティは、導波管領域１４に接続された活性部すなわちゲイ
ン領域１２を備えている。導波管領域１４は、導波管スプリッタ１４ｃで、２つ
のアーム１４ａおよび１４ｂに分割されている。導波管スプリッタは偏光感応型
であることが好ましい。レーザキャビティのゲイン領域１２と導波管構造１４は
高分子（例えばＰＭＭＡ）内に埋設することを考えている。活性部１２は、色素
或いは可能であれば希土類材料で添加することによって得られる。希土類が添加
されたレーザキャビティのポンピングは、相互作用の長さが非常に短くて有効な
エネルギ搬送が行えない場合には、ファイバレーザと同様の形態で達成すること
が困難な場合がある。半導体レーザのキャビティの内側に高分子レーザを配置す
ることによって、交差部の長さが不適当であるという起こり得る問題を回避しつ
つ必要なエネルギを搬送することができる（全体のシステムは２つのキャビティ
内構成に基づいている）。シングルモードの導波管は明確な振動数を与える。図
４に示されるように、色素が添加されたレーザ１２は、一般に、外部のレーザ源
１７と焦点合わせ部材１６とレーザキャビティミラー１５とを使用して汲み上げ
られる。２つのキャビティ内の光の周波数の相違は、ビート成分の周波数として
検出器１０によって検出される。

【０１１１】モードの相互作用（競争）を最小限にするために、偏光スプリッタを適用する
ことができる。また、光ビートを得るために、検出器１０の前に偏光フィルタを
設ける必要がある。したがって、導波管構造１４のアームの接続部に設けられた
偏光スプリッタ１４ｃによって、活性領域１２内に形成された互いに直交する２
つの偏光モードを分割して本発明の第２の観点に係る各アーム１４ａおよび１４
ｂへと方向付けることができる。そのようなモードの１つは、一方のアームで検
出される物質と相互に作用することができる。

【０１１２】また、異なる偏光を分割することなく、高いゲインでレーザを操作しても良い
。微小流体システム１３は、導波管１４の両方のアーム１４ａおよび１４ｂと接触
するサンプルを横切るように概略的に示されている。この場合、一方のアームに
は、他方のアームとは異なってサンプルと相互に作用するようになっている検出
面を設ける必要がある。例えば、バイオセンサにおいては、両方のアームが同様
の検出面を有しており、検出される物質のための結合相手が一方のアームだけに
設けられている。

【０１１３】屈折率および長さの結果として与えられる光学距離は、位相遅れを決定する。
ＰＭＭＡに関し、温度に伴う長さの変化と屈折率の変化との組み合わせ作用は、
約５×１０^-5の熱膨張係数によって表わすことができることを我々は見出した。

【０１１４】本発明の第２の観点の更なる実施例として、図３の装置は、キャビティのゲイ
ン部１２がガスレーザキャビティもしくは半導体自由空間伝達可能（すなわち、
導波管ではない）キャビティ（ｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｆｒｅｅｓｐａｃｅ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅｃａｖｉｔｙ）によって形成されるように構成さ
れている。また、アーム１４ａおよび１４ｂは、ガスレーザキャビティの一部を
形成していても良く、あるいは、半導体自由空間伝達可能材料もしくは光ファイ
バのような導波管材料によって形成されていても良い。前述したように、偏光ス
プリッタはアームの接続部に設けられており、これによって、ゲイン領域１２内
に形成された互いに直交する２つの偏光モードのそれぞれが２つのアームのそれ
ぞれに方向付けられる。２つのアームがガスレーザキャビティの一部を形成する
場合、検出される物質は、検出面の近傍に導かれるというよりはむしろ、キャビ
ティ内に位置決めされたセル内へと通される。実施例３ファイバレーザ図５および図６に示されるように、この実施例では、２つのファイバレーザが
使用されている。装置は、以下に詳述する第１のファイバレーザ６０と第２のフ
ァイバレーザ６２とを備えている。ファイバレーザから出力された光は、３ｄＢ
カプラ６４に向けて光ファイバによって伝送される。３ｄＢカプラ６４からは、
第１の出力ファイバ６６が、１．８ＧＨｚの電気的なスペクトラムアナライザ７
０に接続された１２５ＭＨｚレシーバ６８に向けて延びている。カプラからの第
２の出力光は、１０ｄＢカプラに向けてファイバ７２に沿って伝送される。１０
ｄＢカプラからは、第１の出力信号が、ファイバ７４に沿って、ファブリーペロ
干渉計７６へと伝送される。干渉計７６はオシロスコープ７８に接続されている
。１０ｄＢカプラからの第２の出力信号は、ファイバ８０に沿って、光スペクト
ラムアナライザ８２へと伝送される。図５にボックスで示されたファイバレーザ
６０，６２の構造が図６に示されている。各ファイバレーザはファイバレーザキ
ャビティ８４を有している。このファイバレーザキャビティ８４は、光ファイバ
を介して、ポンプドライバ８８を有するポンプレーザ８６に接続されている。フ
ァイバからの出力光は、光ファイバ９０を介して、波長分割マルチプレクサ（Ｗ
ＤＭ）９２の形態を成すポンプ信号融合カプラへと導かれて光アイソレータ９４
へと達し、ここから信号が３ｄＢカプラ６４へと伝送される。

【０１１５】各ファイバレーザはポンプ信号ヒューズカプラＷＤＭ９２によって汲み上げら
れる。ポンプレーザは、９８０ｎｍの周波数の出力光を発する８０ｍＷのダイオ
ードレーザ、あるいは、１４８０ｎｍの周波数の出力光を発する１００ｍＷのダ
イオードレーザであっても良い。

【０１１６】レーザ８４の後方への伝達方向は光アイソレータ９４によって保護される。ま
た、信号レーザは、アングルファセットコネクタ（ＦＣ−ＡＰＣ，−６０ｄＢの
反射減衰量）によって前方の伝達方向からの反射が防止される。信号とミックス
する付加的な汲み上げ能力（ｒｅｍａｎａｎｔｐｕｍｐｐｏｗｅｒｍｉｘ
ｉｎｇｗｉｔｈｓｉｇｎａｌ）の問題を除去するため、ファイバレーザから
の後方への伝達信号はその都度使用される。したがって、汲み上げ光の更なるフ
ィルタリングは不要となる。２つのレーザの一方には、レーザファバのクラッド
部が部分的に除去された領域に、検出面が設けられている。これにより、検出面
は消失場の侵入深さ内に位置される。

【０１１７】２つのレーザ信号は融合ファイバ３ｄＢカプラ６４を使用して１つにまとめら
れる。また、２つのレーザは同様の中心周波数を有するように形成される。しか
しながら、製造に使用されるプロセスに起因して、中心波長が１２ＧＨｚに相当
する最大０．１ｎｍだけ異なる場合がある。ビート周波数が検出システムの帯域
幅１２５〜２５０Ｈｚ内となるように中心周波数をマッチさせるため、マイクロ
メータ分解能変換ステージ（ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｔ
ｒａｎｓｌａｔｉｏｎｓｔａｇｅ）を使用してファイバを伸長させることによ
ってレーザを調整することができる。あるいは、熱によって、例えば低い中心波
長（約０．０１ｎｍ／ｋ）をもつレーザを加熱することによって、レーザを調整
することもできる。周波数マッチングのプロセスを容易にするため、２つのレー
ザからの出力が詳細な３つのレベルでスペクトルにモニタされる。まず、０．０
５ｎｍの分解能をもってレーザ信号が光スペクトラムアナライザでモニタされる
。これは、第１のコースアライメントプラットフォームを提供する。中心周波数
が走査ファブリーペロ干渉計のフリースペクトル域内にある場合には、中心周波
数を細かく調整する次のステップを形成することができる。これは１０数ＭＨｚ
の分解能を提供する。これによって、ビート周波数をフォトレシーバの帯域幅１
２５ＭＨｚ内に十分に調整することができ、最終的な調整を行なうことができる
。

【０１１８】本発明に係る前述した方法および装置の利点を評価する場合には、計測のダイ
ナミックレンジ（計測できる化学種の最大濃度の最小濃度に対する割合）、必要
なサンプルの量（少ないことが望ましい）、サンプル内において許容可能な最大
の温度勾配（大きいことが望ましい）を含む様々な要素を考慮する必要がある。
屈折率に基づくセンサをマッハ・ツェンダー干渉計として或いは商業システム（
ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄＨＰ１０４７Ａ屈折率検出器）の形態で
操作する方法と本発明に係る方法とを比較したものが以下の表に示されている。

【０１１９】

【表１】

【０１２０】製造メーカの文献によれば、ＨＰ偏向法は？ｎ＝１０^-9と等しいノイズレベル
を有している。前述の表において、その分解能レベルで機能するそれぞれの方法
に必要なサンプルの量は、ダイナミックレンジの場合と同様に算出されている（
すなわち、機器のセッティングを調整することなくその分解能レベルで検出する
ことができる屈折率の最大変化と最小変化との比）。

【０１２１】本発明の方法を使用して達成できる分解能は？ｎ＝１０^-15と同じ位小さいと考えられる。また、１０^-9μｌのサンプル量であれば、例えば、所定量の白糖に
対する１分子の付加もしくは除去あるいは１０の水分子を砂糖分子に置き換えた
ことを検出することができる。

【０１２２】本発明は特定の実施例に関して説明してきたが、本発明の範囲内であれば多く
の変形や改良が可能であることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体をベースにした本発明に係る装置の平面図である。

【図２】図１の装置の断面図である。

【図３】全高分子型キャビティ内バイオセンサの概念図である。

【図４】全高分子型キャビティ内バイオセンサの断面図である。

【図５】２つのファイバレーザを使用した実施例を示している。

【図６】図５のファイバレーザの詳細を示している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷＦターム(参考） 2F103 CA04 CA08 CA11 EB02 EC00 EC08 EC10 EC12 EC13 EC14 FA01 FA02 2G059 AA05 BB12 BB13 CC16 DD16 EE02 EE04 EE05 EE07 EE09 GG01 GG03 GG04 GG06 HH01 HH06 JJ01 JJ05 JJ13 JJ17 JJ19 JJ22 KK01 KK03 MM05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率の変化によって物質の量、濃度、または存在を検出す
るための装置において、導波管によって形成されるレーザキャビティを有し且つ第１のレーザ光ビーム
を形成する第１のレーザと、この第１のレーザの前記レーザキャビティによって
任意に且つ部分的に共有される導波管によって形成されるレーザキャビティを有
し且つ第２のレーザ光ビームを形成する第２のレーザとを備え、前記第１のレーザキャビティ内での前記レーザ光の伝搬は第１の伝搬定数によ
って特徴付けられ、また、前記第２のレーザキャビティ内での前記レーザ光の伝
搬は第２の伝搬定数によって特徴付けられ、第１のレーザキャビティを形成する導波管は、検出される物質のサンプルを受
けることができる検出面を有しており、検出面における物質の存在によって前記
第１の伝搬定数と前記第１のレーザビームの光の周波数とが変化し、また、前記レーザビーム同士を組み合わせてそれぞれのビームの周波数間でビ
ートを形成する手段と、前記物質の存在によって引き起こされる前記第１の伝搬
定数の変化に伴って生じる前記ビートの変化を検出する手段とを備えていること
を特徴とする装置。
【請求項２】第１のレーザおよび第２のレーザのレーザキャビティは互い
から分離されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】前記レーザビーム同士を組み合わせてそれぞれのビームの周
波数間でビートを形成する前記手段と、前記物質の存在によって引き起こされる
前記第１の伝搬定数の変化に伴って生じる前記ビートの変化を検出する前記手段
は、入射する光の強度に応じて電気出力信号を形成する検出器と、第１のレーザから放射された第１の光ビームを検出器へと方向付けるための第
１の光学手段と、第２のレーザから放射された第２の光ビームを検出器へと方向付けるための第
２の光学手段と、を備え、第１および第２の光学手段は、検出器で光ビームのコヒーレントを検出するた
めに、検出器で第１および第２の光ビームの波面をアライメントするようになっ
ており、これにより、検出器の出力信号は、第１および第２の光ビームの周波数
間の差に応じて形成される成分を有していることを特徴とする請求項１または請
求項２に記載の装置。
【請求項４】第１の光学手段は、第１の光ビームを伝搬するための第１の
導波管を備えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】第２の光学手段は、第２の光ビームを伝搬するための第２の
導波管を備えていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】第１および第２のレーザが半導体レーザであることを特徴と
する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】第１および第２のレーザが半導体チップ上に実装されること
を特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記レーザビーム同士を組み合わせてそれぞれのビームの周
波数間でビートを形成する前記手段と、前記物質の存在によって引き起こされる
前記第１の伝搬定数の変化に伴って生じる前記ビートの変化を検出する前記手段
は半導体チップと一体であることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】第１および第２のレーザが高分子レーザであることを特徴と
する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】前記レーザビーム同士を組み合わせてそれぞれのビームの
周波数間でビートを形成する前記手段と、前記物質の存在によって引き起こされ
る前記第１の伝搬定数の変化に伴って生じる前記ビートの変化を検出する前記手
段とが一体となっている高分子から成るデバイス上にレーザが実装されているこ
とを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】第１および第２のレーザキャビティは、それぞれのキャビ
ティの長さに沿って分配配置されるキャビティリフレクタ回折格子を有している
ことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】屈折率の変化によって物質の量、濃度、または存在を検出
するための方法において、先行する請求項のいずれかに記載の装置の検出面で第１のレーザビームの消失
場内に物質を導き、前記物質によって引き起こされる第１および第２のレーザビ
ーム間のビートの変化を検出することを特徴とする方法。
【請求項１３】前記検出面は、検出される物質を拘束する能力を有してい
ることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】前記検出面は、検出される物質のための特定の結合相手を
保持していることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】検出感度を高めるため、検出される物質は、屈折率変化を
高めるラベルに結合されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】前記ラベルが微粒子であることを特徴とする請求項１５に
記載の方法。
【請求項１７】前記ラベルは、前記物質のための特定の結合相手を介して
、検出される物質と結合されることを特徴とする請求項１４または請求項１５に
記載の方法。
【請求項１８】物質の量または存在を検出するための装置において、互いに直交する２つの偏光モードのレーザ光を形成する自由空間ゲイン部分と
、一対のアームを有する二股部分とを備えたレーザキャビティを有するレーザと
、前記レーザ光をそれぞれが前記偏光モードの一方である２つのビームに分割す
るとともに、それぞれのビームをキャビティの二股部分の各アームに方向付ける
手段と、を備え、前記各偏光モードの光はそれぞれの周波数を有し、また、前記物質を一方のアーム内で前記２つのビームの一方と相互作用させ、
前記アームの光学的長さ即ちこのアームと関連付けられる偏光モードの光の周波
数を変化させる手段と、前記２つの偏光モードのビートによって形成されるビート周波数成分の変化と
して、前記周波数の変化を検出する手段と、を備えていることを特徴とする装置。
【請求項１９】レーザキャビティの前記二股部分は、光の自由空間伝達を
与えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】レーザキャビティの前記二股部分は、光の導波管伝達を与
えることを特徴とする請求項１８に記載の装置。